Technologie

Projekt „C3PO“ optimiert Kontakte auf Solarzellen

06.10.2020 - Laser-Methode verspricht Vorteile gegenüber dem Standardverfahren.

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg ist ein alter­natives Verfahren zur Herstellung von Solarzellen-Kontakten entwickelt worden. Das Laser Transfer and Firing (LTF) bietet insbesondere für bestimmte Solarzelle­noberflächen Vorteile gegenüber dem Standard­verfahren. Im Verbundprojekt „C3PO“ ist es den Forschern gemeinsam mit Industrie­partnern gelungen, den LTF-Prozess erstmals vollautomatisiert abzubilden. Das Verfahren kann nun im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung systematisch getestet und optimiert werden.

Um den in einer Solarzelle erzeugten Strom entnehmen zu können, werden Leiter­bahnen aus Metall – die Kontaktfinger – auf die Solarzelle aufgebracht. Das Standard­verfahren hierzu ist der Siebdruck. Hier wird Silberpaste durch ein Sieb auf die Solarzellen­vorderseite aufgebracht. Die Solarzellen­produktion ist heute einer der größten Silberkonsumenten weltweit. Auch deshalb werden intensiv alternative Metalle und entsprechende Verfahren zur Kontaktfinger­aufbringung untersucht, darunter ein elektro­chemisches Verfahren, das elektro­chemische Plating. Bevor das Plating allerdings eingesetzt werden kann, muss eine vorhandene elektrische Schutz­schicht geöffnet werden. Dies erfolgt heute durch einen speziellen Laserprozess, der die Schutzschicht an bestimmten Stellen gezielt und präzise abträgt. Auf den so entstandenen Kontakt­öffnungen wird dann der Kontaktfinger aus zunächst Nickel, dann Kupfer und zuletzt Silber elektro­chemisch aufgewachsen.

Das neue LTF- Verfahren zur Öffnung der elektrischen Schutzschicht und Herstellung der Metallkontakte bietet gleich mehrere Vorteile gegenüber dem Standard­verfahren. Es ermöglicht eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Kontakt­metalle, indem statt Nickel zum Beispiel auch Aluminium, Titan oder Wismut zum Einsatz kommen können. Das Verfahren bietet zudem mehr Spielraum beim Kontaktfinger-Layout. Zudem eignet sich das Metallisierungs­verfahren auch für Solarzellen mit temperatur­sensiblen Schichten, da es die Zelle nicht über Raumtemperatur erwärmt.

Der LTF-Prozess besteht aus zwei Teilschritten: Durch ein direktes Laserdruck­verfahren wird im ersten Schritt Metall im gewünschten Kontaktfinger-Layout von einer metall­beschichteten Folie auf eine Solarzelle übertragen. An dieser Stelle spricht man zunächst von LIFT – Laser Induced Forward Transfer. Wesentlich dabei ist, dass die übertragenen Metall­strukturen sehr schmal sind, damit die auf die Zell­oberfläche auftreffende Sonnen­strahlung nicht übermäßig abgeschattet wird. „Mit dem Verfahren konnten wir im Labor bereits Metall­strukturen feiner als fünf Mikrometer auf die Solarzellen­oberfläche aufbringen“, berichtet Saskia Kühnhold-Pospischil vom Fraunhofer ISE. In der neuen Anlage wird für den LIFT-Prozessschritt die Solarzelle auf einem Vakuum-Chuck positioniert und unter eine metall­beschichtete Trägerfolie gefahren, von der das Metall auf die Solarzelle übertragen wird. Nach der Metall­übertragung wird die Metallfolie vollautomatisch durch ein Rolle-zu-Rolle-System ein Stück weiter transportiert, um den Metall­übertrag der nächsten Solarzelle durchführen zu können. 

Im zweiten Prozess­abschnitt werden die so entstandenen Metall­strukturen auf der Solarzellen­oberfläche zu Kontakten ausgebildet. Dies geschieht mittels Laser Selective Heating (LSH). Dazu wird ein Laser mit einer Wellenlänge verwendet, welche lediglich von dem übertragenen Metall absorbiert wird, nicht aber vom darunter liegenden Silizium. So wird das Silizium durch diesen Laserschritt nicht beschädigt, was wiederum vorteilhaft für hohe Solarzell­effizienzen ist. Beide Prozess­schritte können vollautomatisiert und auf wenige Mikrometer exakt aligniert in der neuen LTF-Anlage durchgeführt werden.

Im Labor war die Funktionalität des neuen LTF-Verfahrens bereits nachgewiesen worden. Im Rahmen des Verbundprojekts „C3PO – Cool Copper Contacts – Entwicklung einer industriellen Nieder­temperatur- Technologie zur Herstellung zwanzig Mikrometer feiner Kupfer­kontakte für bifaciale PERC, Hetero- und TOPCon-Solarzellen“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde, konnte in einer Zusammenarbeit mit Industriefirmen der Prozess auf einer industrie­nahen Anlage erstmals umgesetzt werden. Zukünftig sollen neben der beschriebenen LTF-Anwendung auch Kontaktfinger in ihrer Gänze Schicht für Schicht additiv gefertigt werden. „Sowohl für die Herstellung kleinster 3D Strukturen als auch das lokale Beschichten sensibler Bauelemente sehen wir auch in weiteren Forschungs­feldern Anwendungs­möglichkeiten für die LTF-Technologie. Mit der Pilotanlage und unserem Konsortium bestehen nun beste Voraus­setzung diese zukünftig erfolgreich zu entwickeln“, sagt ISE-Forscher Jan Nekarda.

Fh.-ISE / JOL

Weitere Infos

Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar

Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen

Webinar: Grundlagen der Wellenoptik-Simulation in 18 Minuten

Dieses 18-minütige Webinar vermittelt die Grundlagen der Modellierung und Simulation wellenoptischer Systeme.

Mehr Informationen zum Webinar

Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen